《模拟电子技术基础 第一章半导体器件课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术基础 第一章半导体器件课件（133页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、模 拟 电 子 技 术,1、课程性质,电子技术是电类和自动化类各专业的一门技术基础课或专业基础课，是一门入门性质的课程，应用性的课程，为以后学习测试技术、传感器、自动控制打基础，为课程设计、毕业设计打基础，为大家进一步深造打基础。共分模拟电子技术和数字电子技术两门课，基于以上原因，大家应重视这门课。,2、主要教学任务,模拟电子技术就是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。 电子器件就是我们平时听到的二极管、三极管、集成芯片等。 电子电路电子电路是指含有上述电子器件，并且能实现某种特定功能的电路。在模拟电子技术中主要包括的电路是：放大、滤波、电源。,电子电路的应用,1、信号检测（如压力、温度
2、、湿度等）。 2 、电子仪器（如信号发生器、家用血压仪等）。,3、课程的特点,.强调理论与实践并重，特别是实验教学尤为重要； .工程性和近似性； .受控源、非线性电路的分析方法。,4、本课程与前修课程的联系,本课程与前修课程的联系不是很紧密，只需有普通物理和电路分析基础这两门课的基础。 普通物理电子的能带结构 电路分析基础基尔霍夫电压电流定理（即KCL, KVL）、戴维南等效定理、 诺当等效定理、叠加原理。 可以说是一门全新的课程，大家起点一样，只要肯下功夫，一定能学好。,5、分 类,模拟电子技术也叫电子线路。 按工作频率，模拟电子技术可分为： 低频电子线路 高频电子线路 按电子器件工作特点及
3、其分析方法分为： 线性电子线路 3MHz,6、参 考 教 材,童诗白模拟电子技术（第四版）清华大学 康华光电子技术基础（模拟部分）（第四版）华中科技大学,第 1 章 半导体器件,1.1半导体的基础知识,1.2半导体二极管,1.3二极管电路的分析方法,1.4特殊二极管,小结,1.5双极型半导体三极管,1.6场效应管,1.1半导体的基础知识,1.1.1本征半导体,1.1.2杂质半导体,1.1.3PN结,1.1.1 本征半导体,半导体 ,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。,本征半导体 ,结构完整、高度提纯的半导体。如硅、锗单晶体。,载流子 ,自由运动的带电粒子。,本征半导体的特点：,1.热敏特性：
4、半导体的导电能力与温度有关。 利用该特性可做成热敏电阻,2.光敏特性：半导体的导电能力与光的照射有关系。利用该特性可做成光敏电阻,3.掺杂特性：掺如有用的杂质可以改变半导体的 导电能力。 利用该特性可做成杂质半导体。,硅(锗)的原子结构,简化 模型,(束缚电子),1、半导体的原子结构,2、本征半导体的晶体结构,硅(锗)的共价键结构,共价键 ,相邻原子共有价电子所形成的束缚。,3、本征半导体的导电情况,当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体 在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴),图13 本征激发产生电子和空穴,本征激发：,复 合：,自由电
5、子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。,漂 移：,自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。由电场形成的电流。,在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。,两种载流子,电子(自由电子),空穴,两种载流子的运动,自由电子(在共价键内外)的运动,空穴(在共价键以内)的运动,结论：,1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；,2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；,3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。 4。电中性。,1.1.2 杂质半导体,一、N 型半导体和 P 型半导体,N 型,磷原子,自由电子,电子为多数载流 多子空
6、穴为少数载流 少子,电中性 正电荷：正离子和空穴 负电荷：电子和 本征激发的电子,载流子数 电子数,施主离子带正电，不能移动,1.1.2 杂质半导体,一、N 型半导体和 P 型半导体,P 型,硼原子,空穴,空穴 多子,电子 少子,载流子数 空穴数,例：已知本征硅的原子密度为5*1022/cm3。当掺杂量为百万分之一（1/106时），杂质浓度为5*1016/cm3。 则：在常温下，本征硅的ni=1.4*1010/cm3， 掺入杂质后： ni=（1.4*1010 + 5*1016） /cm3 两者相差106数量级，即自由电子数量比掺杂前净增一百万倍（106）。 结论：1 掺杂后导电能力明显增强。
7、2 掺杂浓度越高，导电能力越强。,三、P 型、N 型半导体的简化图示,PN结的形成,通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。,扩散运动和漂移运动的概念 扩散运动:由于存在浓度差,载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动,这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动.由于扩散运动而形成的电流叫扩散电流. 漂移运动:载流子在电场的作用下所形成的运动称为漂移运动.所形成的电流称为漂移
8、电流.,1.1.3 PN 结,一、PN 结(PN Junction)的形成,1. 载流子的浓度差引起多子的扩散,2. 复合使交界面形成空间电荷区,(耗尽层),空间电荷区特点:,无载流子，,阻止扩散进行，,利于少子的漂移。,内建电场,3. 扩散和漂移达到动态平衡,结论：PN结的形成是载流子在半导体内的扩散运动和漂移运动达到动态平衡的结果。,*先用板书讲,如此相互制约、相互促进，最后多子的扩散运动和少子的飘移运动达到动态平衡。,P区的少子电子向N区漂移，补充了N区交界面上因扩散运动而失去的电子，使正离子减少； N区的少子空穴向P区漂移，补充了P区交界面上因扩散运动而失去的空穴，使负离子减少； 结果
9、又空间电荷区变窄，内电场减弱，从而又使多子的扩散运动加强,1.由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。,结论：PN结的形成是载流子在半导体内的扩 散运动和漂移运动达到动态平衡的结果。,2.如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，。如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，,二、PN 结的单向导电性：正向导通，反向截止。,1. 外加正向电压(正向偏置), forwa
10、rd bias,3.达到平衡时，PN结的内电场所建立的电位差是不同性质半导体的“接触电位差”，它的大小与半导体材料、掺杂浓度及环境温度有关，室温下：SI的0.60.8V Ge的是0.10.3V,正向偏置-P区接电源正极，N区接电源负极。,内电场,外电场,外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。,扩散运动加强形成正向电流 IF 。,IF = I多子 I少子 I多子,2. 外加反向电压(反向偏置),外电场使多子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。,PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。,漂移运动加强形成反向电流 IR,IR
11、= I少子 0,正偏的电流是多子的扩散电流，因此PN结的导电能力很强。,反偏的电流是少子的漂移电流，因此PN结的导电能力很弱,三、PN 结的伏安特性,反向饱和电流,温度的 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,正向特性,反向击穿,加正向电压时,加反向电压时,iIS,流过PN结的电流i与外加电压u的关系,但总的I升高，曲线向左移，向下移,T升高，Is升高 T升高，UT降低,书中P13p14说明,PN结的击穿特性（属于理解性的内容） 由图看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结的 反向击穿，并定义UBR为PN结
12、的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。,一、雪崩击穿 在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压增加时，耗尽区变宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对，使少子数量急剧增多，反向电流急剧增大。 雪崩击穿与掺杂浓度有关，掺杂浓度越低，UBR值越大。,二、齐纳击穿 在高掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键
13、，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿。 一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿； UBR 4V时为齐纳击穿； UBR介于47V时，两种击穿都有。 另外，PN结不会损坏。,1.2半导体二极管,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,1.2.2 二极管的伏安特性,1.2.3 二极管的主要参数,1.2.1 半导体二极管的结构和类型,构成：,PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode),符号：,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,1.点接触型 优点：PN结面积很小，结电容小，一般在1pF以下，因此工作频率高，可达100MH
14、Z； 缺点：不能承受较高的反向电压和大的电流。 用途：多用于做高频检波和脉冲数字电路里的开关元件。 2.面接触型 用合金法或扩散法工艺制作而成。 优点：能通过较大的正向电流，反向击穿电压高，工作温度较高； 缺点：结面积大，结电容也大，工作频率低。 用途：多用于低频整流电路中。 。,1.2.2 二极管的伏安特性,一、PN 结的伏安方程,反向饱和电流,温度的 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数,当 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,图114 二极管伏安特性曲线,二、二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区 电压,iD = 0,Uth = 0.5 V,0.2 V,(硅管),(锗管),U
15、 Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on) = (0.6 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.1 0.3) V,锗管 0.3 V,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,1.2.3 二极管的主要参数,1. IF 最大整流电流(长期运行时，最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(室温和URM下的电流。越小单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差),1
16、.3二极管电路的 分析方法,1.3.1 理想二极管及二极管 特性的折线近似,1.3.2 图解法和微变等效电路法,含有非线性元件的电路称为非线性电路。从前面分析中得知二极管的伏安特性是非线性的，因此含有二极管的电路为非线性电路。 分析非线性电路的方法有 解析法 图解法 模型分析法,举例：求右图所示电路中的U和ID。,1.3.1 理想二极管,一、理想二极管 开关,特性,符号及 等效模型,正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = ,2.二极管的恒压源模型 内容：（1）二极管两端电压大于导通电压时，二极管导通，且导通电压恒定， 对硅管 UON=0.7， 对锗管UON=0.3； （2）反偏时，二极管截止，IS=0 。 适用的场合：二极管的工作电流较大， 其工作范围在伏安特性的上部， 此时当电流在
